通用变频器的研制

1　引言

　　交流电动机具有可靠、简单、廉价等优点。然而，目前市场上所售的多为普通通用变频器，若直接把其用于光伏水泵系统中，不能很好地实现各种保护功能，同时也不具备太阳电池的最大功率点跟踪功能，造成太阳能电池容量和通用变频器内部资源的巨大浪费。本文在充分利用通用变频器内部资源的基础上，对普通通用变频器进行改进，实现了具有光伏水泵系统控制功能的通用变频器。实验表明，改进后的即通用变频器即可以实现普通通用变频器的通用功能，又能实现光伏水泵系统控制功能，同时降低了光伏水泵使用成本和维护费用。

2　系统基本结构

　　变频器系统的硬件电路一般分为两大模块:功率主电路和控制电路[1]。根据系统要求，综合考虑各种方案并结合实际情况，本系统采用了如图1所示的基本结构。

　　图1　具有光伏水泵控制功能的通用变频系统的基本结构

　　从图1可以看出，系统有四部分组成，分别是:光伏阵列、主电路模块、控制电路模块和水泵。与通用变频器结构相比，主电路模块结构区别在于输入电源有两种——交流电源和光伏阵列输出的直流电源;控制电路模块采用tms320lf2406a dsp数字信号处理器，和一般通用变频器控制电路类似。在外围控制电路上，除了pwm信号驱动，电压、电流等模拟信号采样电路外，增加了直流母线电流检测。在光伏水泵变频调速系统中，为了防止水位下降，引起光伏水泵系统“机–泵总成”部件干磨擦而遭致损坏，因此，具有光伏水泵控制功能的通用变频系统除了具有一般通用变频器保护功能外，还需要水位打干检测保护功能。常用检测方法有水位传感器识别和自动识别[2]，本文根据通用变频器具有输出电流采样功能，采用了自动识别水位过低而避免打干。

　　3　光伏水泵控制功能在通用变频器中的实现

　　通用变频器突出特点是功能齐全、通用性好，为了方便构成闭环控制，现代的通用变频器都内置了pi数字调节器，利用通用变频器内置的pi数字调节器，可以方便的实现光伏阵列的最大功率点跟踪。

　　把光伏阵列引出线接在系统直流输入端，如图1所示连接，系统直流母线电压即是光伏阵列输出端电压。对于光伏水泵系统，因水泵电机的输出功率和转速的三次方成正比，因此，光伏阵列的输出负荷匹配可以直接通过改变水泵电机的转速来实现，即凭借pwm控制技术就可以直接调整太阳电池阵列的输出功率，使光伏阵列的输出功率始终跟踪当前日照和环境温度下的最大值。

　　3.1　光伏阵列特性

　　在光伏水泵系统中，把太阳能光伏阵列输出的直流电作为系统电源供给。太阳能光伏阵列电源有别于普通的直流电源，它具有较强的非线性特征，输出最大功率受日照和环境温度等气象条件影响比较大。图2给出了不同日照强度下，太阳能光伏阵列的i-v特性曲线和p-v特性曲线。图2中s为日照强度，单位为瓦特每平米(w/ m2)。从光伏阵列的特性曲线可以看出光伏阵列既非恒压源又非恒流源，而且不能给负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。光伏阵列特性决定了应用光伏阵列时的特殊控制要求——最大功率点跟踪。

　　图2　不同日照强度下的i-v和p-v特性曲线